用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁合金表面防護(hù)涂層的制備工藝，特別涉及一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層及其制備方法，屬于鋁合金表面處理和表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金密度較小，強(qiáng)度高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，塑性和成型性好，易加工，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、建筑、汽車、船舶等領(lǐng)域中。然而鋁合金的硬度偏低，耐磨性差，耐腐蝕性較差，大大制約了鋁合金的應(yīng)用前景。因此，對(duì)鋁合金的表面處理以提供有效保護(hù)和提高鋁合金表面性能非常重要。常用的鋁合金表面處理方法有陽(yáng)極氧化法、激光熔覆法、稀土轉(zhuǎn)化膜法等。陽(yáng)極氧化處理得到的氧化膜比較厚，因此耐蝕性較好，但是由于涂層的附著力差、成本高以及涂層抗沖擊性不理想等原因，在工業(yè)生產(chǎn)中使用較少；激光熔覆法容易在界面上形成脆性相和裂紋，實(shí)際應(yīng)用中涂層的尺寸精度、對(duì)基體復(fù)雜形狀的容許度、表面粗糙度等問題較難解決；稀土轉(zhuǎn)化膜法的不足之處是稀土鹽長(zhǎng)期浸泡工藝處理的時(shí)間長(zhǎng)，處理所需的溫度也較高。與以上幾種方法或技術(shù)相比，改善鋁合金表面耐磨和耐腐蝕性最有效的途徑是在其表面制備一層耐磨損、抗腐蝕的薄膜，利用薄膜在鋁合金基體和外界環(huán)境之間形成的屏障，有效的保護(hù)鋁合金，拓展它的應(yīng)用范圍。
[0003]類金剛石碳薄膜具有很多優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等物理性質(zhì)，又有十分好的化學(xué)穩(wěn)定性。它具有極高的硬度和優(yōu)異的抗磨損性能，適于作切削刀具、軸承、齒輪及活塞等易磨損機(jī)件的鍍層；它的耐腐蝕(防酸、防堿)性能好，可作為金屬鍍層的底層，或者沉積在塑料飾件上，防止酸、堿及有機(jī)試劑的侵蝕；它具有良好的生物相容性，可用在人工關(guān)節(jié)等生命科學(xué)領(lǐng)域。因此類金剛石涂層是鋁合金表面改性的理想涂層材料，其可能能夠改善鋁合金運(yùn)動(dòng)部件在不同工況下導(dǎo)致的磨損失效和腐蝕磨損。
[0004]當(dāng)前，物理氣相沉積是制備硬質(zhì)涂層的主流技術(shù)，主要包括兩類技術(shù)，一是磁控濺射技術(shù)，二是電弧離子鍍沉積技術(shù)。CN102605319A記載了一種鋁合金表面改性沉積類金剛石薄膜的方法，其采用電弧離子鍍沉積技術(shù)，在鋁合金上沉積了一層類金剛石薄膜。但是，電弧離子鍍涂層中的液滴由于制備原理本身的限制，始終無法徹底消除，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)較為疏松，表面粗糙度差等缺陷。CN102912298A記載了一種具有抗腐蝕和減摩性能的摻Cr的DLC涂層及制備方法，其采用電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜的方法，在高速鋼表面制備了抗腐蝕和減摩性能的摻Cr的DLC涂層(類金剛石涂層)。鋼的硬度大，在其表面制備DLC涂層比較容易實(shí)現(xiàn)。然而由于鋁合金屬于軟金屬，在其表面制備高硬度DLC薄膜存在很大的難度，迄今為止還沒有關(guān)于采用磁控濺射設(shè)備在鋁合金表面沉積類金剛石涂層進(jìn)行表面改性的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層及其制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層，包含:直接形成于鋁合金基體表面的Cr底層，以及，直接形成在所述Cr底層上的、摻雜有Cr的DLC涂層。
[0007]較為優(yōu)選的，所述Cr底層直接形成在粗糙度為10-40 nm，特別是粗糙度為20-40nm的鋁合金基體表面。
[0008]較為優(yōu)選的，所述Cr底層的厚度為1-4 Pm。
[0009]一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法，包括:
對(duì)鋁合金基體表面進(jìn)行拋光，使得鋁合金基體表面的粗糙度達(dá)到10-40 nm；
直接在所述鋁合金基體表面沉積Cr底層；
以及，直接在所述Cr底層上沉積摻雜Cr的DLC涂層。
[0010]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法包括:采用磁控濺射工藝，以鉻為陰極靶材，在所述鋁合金基體表面沉積Cr底層。
[0011]作為更為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法包括:
a、將拋光后的鋁合金基體置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的襯底支架上，并對(duì)所述真空室抽真空至真空度等于或小于3.0X10 3Pa ；
b、在所述真空室內(nèi)通入高純Ar，并對(duì)鋁合金基體施加高偏壓，以對(duì)所述鋁合金基體表面進(jìn)行轟擊清洗活化；
C、調(diào)節(jié)輸入所述真空室的高純Ar流量，至所述真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到設(shè)定范圍，再開啟柱弧Cr靶，在所述鋁合金基體表面沉積Cr底層。
[0012]進(jìn)一步的,步驟b中，通入所述真空室內(nèi)的高純Ar流量?jī)?yōu)選為10-20 sccm,柱弧C靶電流優(yōu)選為0.1-0.2 A，柱弧Cr靶電流為0.1-0.3 A，施加在鋁合金基體上的高偏壓為-400~-1000 V，轟擊清洗時(shí)間為10-30min。
[0013]進(jìn)一步的，步驟c中，通入所述真空室內(nèi)的高純Ar流量?jī)?yōu)選為10-20 sccm,柱弧C靶電流優(yōu)選為O A，柱弧Cr靶電流優(yōu)選為1-4 A，施加在鋁合金基體上的偏壓優(yōu)選為-40~-100 V，持續(xù)10-20 min，從而在所述鋁合金基體表面沉積Cr底層。
[0014]作為更為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法包括:在Cr底層制備完成后，分別將柱弧C靶電流、柱弧Cr靶電流調(diào)節(jié)為1-3.5A、0.38 A,持續(xù)2-10 h，在Cr底層上沉積形成摻雜Cr的DLC涂層。
[0015]進(jìn)一步的，在完成摻雜Cr的DLC涂層的沉積后，將所述鋁合金基體于真空室冷卻到室溫后再取出。
[0016]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法包括:對(duì)鋁合金基體進(jìn)行打磨、除油、去污、拋光處理，至鋁合金基體表面粗糙度為10-40 nm，再置于丙酮、無水乙醇中各超聲清洗10 -30 min，之后以氮?dú)獯蹈?，備用?br>[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
(1)采用磁控濺射技術(shù)在鋁合金基片上沉積類金剛石薄膜，薄膜與鋁合金結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨損、耐腐蝕；
(2)本發(fā)明在鋁合金表面上能實(shí)現(xiàn)類金剛石薄膜的沉積，且沉積薄膜均勻致密；
(3)本發(fā)明采用過渡層設(shè)計(jì)方法，制備出了摻Cr的DLC涂層； (4)本發(fā)明工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作、重復(fù)性和可靠性好，使用的石墨靶材成本低廉。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1是本發(fā)明一典型實(shí)施方案之中一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2a-圖2b分別是實(shí)施例1中沉積于鋁合金表面的摻Cr的DLC涂層的表面和截面形貌圖；
圖3是原始鋁合金基體(空白樣)和實(shí)施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂層的鋁合金基體在3.5wt.%的NaCl溶液中的極化曲線測(cè)試結(jié)果圖；
圖4a-圖4b是原始鋁合金基體(空白樣)與實(shí)施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂層的鋁合金基體的摩擦曲線及磨損率結(jié)果圖。
[0020]圖5是原始鋁合金基體(空白樣)與實(shí)施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂層的鋁合金基體的硬度測(cè)試結(jié)果圖；
附圖標(biāo)記說明:鋁合金基體1、Cr底層2、摻雜有Cr的DLC涂層3。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層，其包括直接形成于鋁合金基體表面的Cr底層，以及，直接形成于所述Cr底層上的、摻雜有Cr的DLC涂層。該防腐耐磨Cr-DLC涂層的結(jié)構(gòu)可參閱圖1。
[0022]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述Cr底層是直接形成在粗糙度為10_40nm鋁合金基體表面。
[0023]本發(fā)明的摻雜Cr的DLC涂層，表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨兼抗腐蝕，其中，由于采用的Cr中間過渡層(Cr底層)與鋁合金基體的熱膨脹系數(shù)相差不大，且與基底金屬的晶格常數(shù)比較接近，還與上層的類金剛石層(摻雜有Cr的DLC涂層)有很強(qiáng)的雜化作用，因而涂層結(jié)合力強(qiáng)，避免了 DLC涂層直接沉積在鋁合金等軟金屬基體上引起的內(nèi)應(yīng)力大、易發(fā)生脆性破裂和剝離而導(dǎo)致過早失效的問題。
[0024]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法，其可以包括:采用磁控濺射技術(shù)，以石墨和鉻為陰極靶材，在鋁合金表面上制備所述防腐耐磨Cr-DLC涂層。
[0025]在一典型實(shí)施方案之中，一種用于鋁合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂層的制備方法可以包括以下步驟:
步驟1，對(duì)鋁合金基底(如下亦稱鋁合金基材、鋁合金基片或基材)進(jìn)行表面預(yù)處理；步驟2，將預(yù)處理好的鋁合金基片放入磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的襯底支架上，并對(duì)磁控濺射設(shè)備真空室抽真空；
步驟3，通入高純Ar (純度在99.99%以上)，對(duì)鋁合金基體施加高偏壓，以對(duì)表面進(jìn)行轟擊清洗活化；
步驟4，調(diào)節(jié)高純Ar流量，調(diào)節(jié)真空室氣壓，